工程科学学报 Chinese Journal of Engineering TMC多场耦合作用下岩石力学实验与数值模拟研究进展 颜丙乾任奋华蔡美峰郭奇峰乔趁 Research review of rock mechanics experiment and numerical simulation under THMC multi-field coupling YAN Bing-qian,REN Fen-hua,CAI Mei-feng.GUO Qi-feng.QIAO Chen 引用本文： 颜丙乾，任奋华，蔡美峰，郭奇峰，乔趁.THMC多场耦合作用下岩石力学实验与数值模拟研究进展.工程科学学报，2021， 43(1:47-57.doi:10.13374j.issn2095-9389.2019.07.29.005 YAN Bing-qian,REN Fen-hua,CAI Mei-feng,GUO Qi-feng.QIAO Chen.Research review of rock mechanics experiment and numerical simulation under THMC multi-field coupling[J].Chinese Journal of Engineering,2021,43(1):47-57.doi: 10.13374.issn2095-9389.2019.07.29.005 在线阅读View online:https::/oi.org10.13374.issn2095-9389.2019.07.29.005 您可能感兴趣的其他文章 Articles you may be interested in 冻融循环对全尾砂固结体力学性能影响及无损检测研究 Mechanical properties and nondestructive testing of cemented mass of unclassified tailings under freeze-thaw cycles 工程科学学报.2019,41(11)：1433 https:/doi.org/10.13374.issn2095-9389.2019.02.23.002 一种光敏树脂结构的力学性能 Mechanical properties of a photosensitive resin structure 工程科学学报.2019,41(4：512 https:/1doi.org10.13374j.issn2095-9389.2019.04.012 轧辊交叉对中间坯镰刀弯生成过程的影响 Influence of crossed roller on generating camber in hot rough rolling 工程科学学报.2018.40(8：954 https::/doi.org10.13374j.issn2095-9389.2018.08.009 铝电解槽废阴极炭块电热耦合处理过程数值模拟 Numerical simulation of electrothermal coupling process for spent cathode carbon block from aluminum electrolysis cell 工程科学学报.2020,42(6)：731 https::1doi.org/10.13374.issn2095-9389.2019.06.10.002 高海拔寒区岩质边坡变形破坏机制研究现状及趋势 Review and prospects for understanding deformation and failure of rock slopes in cold regions with high altitude 工程科学学报.2019,41(11)：1374htps:oi.org10.13374.issn2095-9389.2019.05.07.004 高地应力硬岩下双孔并行隧道相似模型试验及数值模拟 Similarity model test and numerical simulation of double parallel-tunnel excavation in hard rock under high ground-stress conditions 工程科学学报.2017,39(5：786 https::/1doi.org10.13374.issn2095-9389.2017.05.018
THMC多场耦合作用下岩石力学实验与数值模拟研究进展 颜丙乾 任奋华 蔡美峰 郭奇峰 乔趁 Research review of rock mechanics experiment and numerical simulation under THMC multi-field coupling YAN Bing-qian, REN Fen-hua, CAI Mei-feng, GUO Qi-feng, QIAO Chen 引用本文: 颜丙乾, 任奋华, 蔡美峰, 郭奇峰, 乔趁. THMC多场耦合作用下岩石力学实验与数值模拟研究进展[J]. 工程科学学报, 2021, 43(1): 47-57. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2019.07.29.005 YAN Bing-qian, REN Fen-hua, CAI Mei-feng, GUO Qi-feng, QIAO Chen. Research review of rock mechanics experiment and numerical simulation under THMC multi-field coupling[J]. Chinese Journal of Engineering, 2021, 43(1): 47-57. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2019.07.29.005 在线阅读 View online: https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2019.07.29.005 您可能感兴趣的其他文章 Articles you may be interested in 冻融循环对全尾砂固结体力学性能影响及无损检测研究 Mechanical properties and nondestructive testing of cemented mass of unclassified tailings under freeze-thaw cycles 工程科学学报. 2019, 41(11): 1433 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2019.02.23.002 一种光敏树脂结构的力学性能 Mechanical properties of a photosensitive resin structure 工程科学学报. 2019, 41(4): 512 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2019.04.012 轧辊交叉对中间坯镰刀弯生成过程的影响 Influence of crossed roller on generating camber in hot rough rolling 工程科学学报. 2018, 40(8): 954 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2018.08.009 铝电解槽废阴极炭块电热耦合处理过程数值模拟 Numerical simulation of electrothermal coupling process for spent cathode carbon block from aluminum electrolysis cell 工程科学学报. 2020, 42(6): 731 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2019.06.10.002 高海拔寒区岩质边坡变形破坏机制研究现状及趋势 Review and prospects for understanding deformation and failure of rock slopes in cold regions with high altitude 工程科学学报. 2019, 41(11): 1374 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2019.05.07.004 高地应力硬岩下双孔并行隧道相似模型试验及数值模拟 Similarity model test and numerical simulation of double parallel-tunnel excavation in hard rock under high ground-stress conditions 工程科学学报. 2017, 39(5): 786 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2017.05.018
工程科学学报.第43卷，第1期：47-57.2021年1月 Chinese Journal of Engineering,Vol.43,No.1:47-57,January 2021 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2019.07.29.005;http://cje.ustb.edu.cn THMC多场耦合作用下岩石力学实验与数值模拟研究 进展 颜丙乾12)，任奋华12)，蔡美峰1,2，郭奇峰12)区，乔趁，2 1)北京科技大学土木与资源工程学院，北京1000832)北京科技大学城市与地下空间工程北京市重点实验室，北京100083 ☒通信作者，E-mail:qifeng_.024@163.com 摘要岩石多场耦合作用的研究是当前研究的热点难点问题，为了更好的分析岩石在多场耦合作用条件下的作用机理，主 要通过实验和数值模拟两方面进行研究.在总结国内外多场耦合微观-细观-宏观多尺度力学试验设备的改进和研发、数值 模拟软件及耦合计算程序的开发等方面的研究现状的基础上，展望多场多相耦合作用下岩石力学实验设备和数值分析的研 究方向.为了研究岩石多场耦合作用下的力学性能，通过改进和研发设计了不同物理场多场耦合试验系统，在开发试验设备 的基础上引起和发展现代无损探测手段，比如实时CT(Computed tomography)扫描技术，电镜扫描技术(SEM)、核磁共振技术 (NMRI)、X射线立体成像法、超声波技术等，既能无损检测到岩石的内部孔隙微细观结构及演化过程，也能得出岩石在温度- 水流-应力-化学(THMC)多场耦合作用中各物理场的宏观关系，进一步从微细观和宏观相结合的角度得出岩石在多场耦合 作用下的性能.随着计算机技术的进步，岩石多场耦合作用下的数值模拟软件及耦合计算程序的开发有了一定的发展，特别 是TOUGHREACT与FLAC3D相结合的THMC四场耦合作用的数值模拟软件和数值仿真软件Comsol与Matlab对接的多场 耦合计算程序的开发，为岩石多场耦合模拟的开展提供了技术支持. 关键词裂隙岩体：多场耦合：无损检测：有限元：实验设备：数值模拟软件 分类号TG741.7 Research review of rock mechanics experiment and numerical simulation under THMC multi-field coupling YAN Bing-qian2 REN Fen-hua2)CAl Mei-feng2,GUO Qi-feng QIAO Chen2) 1)School of Civil and Resource Engineering,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China 2)Beijing Key Laboratory of Urban Underground Space Engineering,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China Corresponding author,E-mail:qifeng 024@163.com ABSTRACT The study of multi-field coupling of rocks is currently a pressing and difficult problem at present.To better analyze the interaction mechanism of rocks under of multi-field coupling,research is mainly carried out by experiment and numerical simulation.On the basis of summarizing the research and development of multi-field coupling micro-meso-macro multi-scale mechanical test equipment at home and abroad,and the developments of numerical simulation software and coupling calculation program,the development direction of rock mechanical test equipment and numerical analysis under multi field and multi-phase coupling are prospected.To study the mechanical properties of rocks under multi-field coupling,a multi-field coupling test system with different physical fields was designed by improvement through research and development.Based on the development of the test equipment,modern non-destructive detection methods,such as real-time computed tomography (CT)scanning technology,scanning electron microscopy (SEM),nuclear 收稿日期：2019-07-29 基金项目：国家自然科学基金面上资助项目(51774022)：国家重点研发计划资助项目(2017YFC0804101)
THMC 多场耦合作用下岩石力学实验与数值模拟研究 进展 颜丙乾1,2)，任奋华1,2)，蔡美峰1,2)，郭奇峰1,2) 苣，乔 趁1,2) 1) 北京科技大学土木与资源工程学院，北京 100083 2) 北京科技大学城市与地下空间工程北京市重点实验室，北京 100083 苣通信作者，E-mail: qifeng_024@163.com 摘 要 岩石多场耦合作用的研究是当前研究的热点难点问题，为了更好的分析岩石在多场耦合作用条件下的作用机理，主 要通过实验和数值模拟两方面进行研究. 在总结国内外多场耦合微观–细观–宏观多尺度力学试验设备的改进和研发、数值 模拟软件及耦合计算程序的开发等方面的研究现状的基础上，展望多场多相耦合作用下岩石力学实验设备和数值分析的研 究方向. 为了研究岩石多场耦合作用下的力学性能，通过改进和研发设计了不同物理场多场耦合试验系统，在开发试验设备 的基础上引起和发展现代无损探测手段，比如实时 CT（Computed tomography）扫描技术，电镜扫描技术（SEM）、核磁共振技术 （NMRI）、X 射线立体成像法、超声波技术等，既能无损检测到岩石的内部孔隙微细观结构及演化过程，也能得出岩石在温度− 水流−应力−化学（THMC）多场耦合作用中各物理场的宏观关系，进一步从微细观和宏观相结合的角度得出岩石在多场耦合 作用下的性能. 随着计算机技术的进步，岩石多场耦合作用下的数值模拟软件及耦合计算程序的开发有了一定的发展，特别 是 TOUGHREACT 与 FLAC3D 相结合的 THMC 四场耦合作用的数值模拟软件和数值仿真软件 Comsol 与 Matlab 对接的多场 耦合计算程序的开发，为岩石多场耦合模拟的开展提供了技术支持. 关键词 裂隙岩体；多场耦合；无损检测；有限元；实验设备；数值模拟软件 分类号 TG741.7 Research review of rock mechanics experiment and numerical simulation under THMC multi-field coupling YAN Bing-qian1,2) ，REN Fen-hua1,2) ，CAI Mei-feng1,2) ，GUO Qi-feng1,2) 苣 ，QIAO Chen1,2) 1) School of Civil and Resource Engineering, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China 2) Beijing Key Laboratory of Urban Underground Space Engineering, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China 苣 Corresponding author, E-mail: qifeng_024@163.com ABSTRACT The study of multi-field coupling of rocks is currently a pressing and difficult problem at present. To better analyze the interaction mechanism of rocks under of multi-field coupling, research is mainly carried out by experiment and numerical simulation. On the basis of summarizing the research and development of multi-field coupling micro-meso-macro multi-scale mechanical test equipment at home and abroad, and the developments of numerical simulation software and coupling calculation program, the development direction of rock mechanical test equipment and numerical analysis under multi field and multi-phase coupling are prospected. To study the mechanical properties of rocks under multi-field coupling, a multi-field coupling test system with different physical fields was designed by improvement through research and development. Based on the development of the test equipment, modern non-destructive detection methods, such as real-time computed tomography (CT) scanning technology, scanning electron microscopy (SEM), nuclear 收稿日期: 2019−07−29 基金项目: 国家自然科学基金面上资助项目（51774022）；国家重点研发计划资助项目（2017YFC0804101） 工程科学学报，第 43 卷，第 1 期：47−57，2021 年 1 月 Chinese Journal of Engineering, Vol. 43, No. 1: 47−57, January 2021 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2019.07.29.005; http://cje.ustb.edu.cn
48 工程科学学报，第43卷，第1期 magnetic resonance imaging (NMRI),X-ray stereo imaging and ultrasonography,were developed.Acoustic wave technology can not only nondestructively detect the micro-structure and evolution process of rock internal pores,but also clarify the macro-relationship of rock physical fields in the multi-field coupling action of thermal-hydrological-mechanical-chemical (THMC),and further clarify the rock performance under multi-field coupling action from the perspective of a combination of micro and macro scales.With the advancement of computer technology,the development of numerical simulation software and coupling calculation program under multi-field coupling of rock has made certain progress.Especially,the development of the numerical simulation software of THMC four-field coupling interaction combined with TOUGHREACT and FLAC3D,and the multi-field coupling calculation program of Comsol docking with MATLAB provide technical supports for the development of multi-field coupling simulation of rocks.Finally,the key difficulties and future research directions of rock multi-field coupling research were discussed and analyzed,which can provide a reference for engineering practice and related problems. KEY WORDS fractured rock;multi-field coupling;nondestructive testing;finite element;experimental equipment;numerical simulation software 深部能源与资源开采中，经常渗及到复杂的 力学试验机，随着试验机的改进和研究，出现了美 赋存环境，岩体在高温、高渗透压、高应力及复杂 国、德国生产的液压伺服试验机和通过计算机控 水化学环境中将发生多场耦合效应.场的概念源 制操作的试验机-习，日本研发的通过计算机控制 于物理学中的电场、磁场等，在岩石力学相关研究 的大型结构试验机，长春朝阳试验机厂)研制的 中涉及到的场主要有应力场、温度场、水流场、化 岩石三轴流变仪、岩石三轴试验机以及岩石三轴 学场、变形场、结构场等.在开挖过程中，岩石所 流变试验系统山 处的作用场不断演化，最终在多场作用下会出现 1.1多场耦合实验设备的改进与优化 直接耦合和间接耦合、双向耦合和单向耦合等不 随着岩石多场耦合作用研究的深入，科研人 同的多场耦合关系.近年来，岩石多场耦合作用相 员开始专注于研制高温高压条件下的三轴试验 关的项目收到业界的广泛关注，为了更好地分析 机，辅助以围压和温度加载及数据采集记录系统， 岩石在多场耦合作用条件下的作用机理，主要通 试验研究温度-应力一化学多场耦合作用下深部页 过实验和数值模拟两方面进行研究 岩的蠕变性能，建立考虑环境温度和化学作用的 国内外学者早期对于岩石多场耦合作用下的力 高应力页岩非线性蠕变模型，得出描述岩石温度- 学试验研究，主要通过单一场作用、两场作用的试 应力-化学三场耦合效应的数学模型，运用ANSYS 验研究不同场对岩石力学性能的影响，主要集中在 有限元对岩石微细观结构和温度一应力一化学多场 应力场、水流场、温度场方面.近年来随着实验设备 耦合作用下的蠕变性能进行数值模拟，验证实验 的改进和升级，基于不同研究背景的应力场、水流 设备和蠕变模型的适用性 场、温度场、化学场综合考虑的多场耦合作用的试 图1所示的三轴耦合试验机是由法国里尔科 验设备不断出现，同时研究岩石损伤及破坏过程的 技大学研发的，设备可以同时施加围压、轴向偏应 微观试验设备也逐渐得到创新.另外，在模拟多场 力和孔隙水压力可，可同时得出轴向应力、轴向应 耦合作用下的岩石破坏过程中，传统的有限元模型 变和侧向应变，三轴室示意图如图2所示.该设备 通常建立在岩石理想的连续各向同性体的抽象模型 新用岩石试件尺寸一般为50mm×100mm(两端 上，很难准确描述有明显各向异性特征的岩石的力 面平整度误差一般小于0.01mm),围压最大可达 学性能，因此其数值模拟的结果也将失去参考价值 到60MPa.偏应力最大可达到300MPa.孔隙水压 随着有限元的发展，如今的研究中，已经将岩石的物 力最大为60MPa 理力学参数通过试验得出，并应用到数值模拟中 岩石的耦合渗透性受岩石多场耦合作用的影 计算机技术的发展和数值模拟软件的发展为研究岩 响，作用机理复杂，因此需要研究岩石在水流一应 石多场耦合作用下的相关研究提供了较大的帮助， 力一化学多场耦合作用下围压、渗透压、水化学性 为很多世界难题的研究提供了参考 质等多种因素对裂隙岩体力学性能的影响.裂隙 岩石耦合作用下的力学试验系统如图3所示，试 实验装置研发和实验方法拓展 验中可用的液压稳定控制台包括稳压控制台（稳 岩石的力学性能试验使用的设备主要为岩石 压控制台主要保证围压和轴压的稳定)和低压控
magnetic resonance imaging (NMRI), X-ray stereo imaging and ultrasonography, were developed. Acoustic wave technology can not only nondestructively detect the micro-structure and evolution process of rock internal pores, but also clarify the macro-relationship of rock physical fields in the multi-field coupling action of thermal-hydrological-mechanical-chemical (THMC), and further clarify the rock performance under multi-field coupling action from the perspective of a combination of micro and macro scales. With the advancement of computer technology, the development of numerical simulation software and coupling calculation program under multi-field coupling of rock has made certain progress. Especially, the development of the numerical simulation software of THMC four-field coupling interaction combined with TOUGHREACT and FLAC3D, and the multi-field coupling calculation program of Comsol docking with MATLAB provide technical supports for the development of multi-field coupling simulation of rocks. Finally, the key difficulties and future research directions of rock multi-field coupling research were discussed and analyzed, which can provide a reference for engineering practice and related problems. KEY WORDS fractured rock； multi-field coupling； nondestructive testing； finite element； experimental equipment； numerical simulation software 深部能源与资源开采中，经常渗及到复杂的 赋存环境，岩体在高温、高渗透压、高应力及复杂 水化学环境中将发生多场耦合效应. 场的概念源 于物理学中的电场、磁场等，在岩石力学相关研究 中涉及到的场主要有应力场、温度场、水流场、化 学场、变形场、结构场等. 在开挖过程中，岩石所 处的作用场不断演化，最终在多场作用下会出现 直接耦合和间接耦合、双向耦合和单向耦合等不 同的多场耦合关系. 近年来，岩石多场耦合作用相 关的项目收到业界的广泛关注，为了更好地分析 岩石在多场耦合作用条件下的作用机理，主要通 过实验和数值模拟两方面进行研究. 国内外学者早期对于岩石多场耦合作用下的力 学试验研究，主要通过单一场作用、两场作用的试 验研究不同场对岩石力学性能的影响，主要集中在 应力场、水流场、温度场方面. 近年来随着实验设备 的改进和升级，基于不同研究背景的应力场、水流 场、温度场、化学场综合考虑的多场耦合作用的试 验设备不断出现，同时研究岩石损伤及破坏过程的 微观试验设备也逐渐得到创新. 另外，在模拟多场 耦合作用下的岩石破坏过程中，传统的有限元模型 通常建立在岩石理想的连续各向同性体的抽象模型 上，很难准确描述有明显各向异性特征的岩石的力 学性能，因此其数值模拟的结果也将失去参考价值. 随着有限元的发展，如今的研究中，已经将岩石的物 理力学参数通过试验得出，并应用到数值模拟中. 计算机技术的发展和数值模拟软件的发展为研究岩 石多场耦合作用下的相关研究提供了较大的帮助， 为很多世界难题的研究提供了参考. 1 实验装置研发和实验方法拓展 岩石的力学性能试验使用的设备主要为岩石 力学试验机，随着试验机的改进和研究，出现了美 国、德国生产的液压伺服试验机和通过计算机控 制操作的试验机[1−2] ，日本研发的通过计算机控制 的大型结构试验机，长春朝阳试验机厂[3] 研制的 岩石三轴流变仪、岩石三轴试验机以及岩石三轴 流变试验系统[1] . 1.1 多场耦合实验设备的改进与优化 随着岩石多场耦合作用研究的深入，科研人 员开始专注于研制高温高压条件下的三轴试验 机，辅助以围压和温度加载及数据采集记录系统， 试验研究温度−应力−化学多场耦合作用下深部页 岩的蠕变性能[4] ，建立考虑环境温度和化学作用的 高应力页岩非线性蠕变模型，得出描述岩石温度− 应力−化学三场耦合效应的数学模型，运用 ANSYS 有限元对岩石微细观结构和温度−应力−化学多场 耦合作用下的蠕变性能进行数值模拟，验证实验 设备和蠕变模型的适用性. 图 1 所示的三轴耦合试验机是由法国里尔科 技大学研发的，设备可以同时施加围压、轴向偏应 力和孔隙水压力[5] ，可同时得出轴向应力、轴向应 变和侧向应变，三轴室示意图如图 2 所示. 该设备 所用岩石试件尺寸一般为 ϕ50 mm×100 mm（两端 面平整度误差一般小于 0.01 mm），围压最大可达 到 60 MPa，偏应力最大可达到 300 MPa，孔隙水压 力最大为 60 MPa[6] . 岩石的耦合渗透性受岩石多场耦合作用的影 响，作用机理复杂，因此需要研究岩石在水流−应 力−化学多场耦合作用下围压、渗透压、水化学性 质等多种因素对裂隙岩体力学性能的影响. 裂隙 岩石耦合作用下的力学试验系统如图 3 所示，试 验中可用的液压稳定控制台包括稳压控制台（稳 压控制台主要保证围压和轴压的稳定）和低压控 · 48 · 工程科学学报，第 43 卷，第 1 期
颜丙乾等：THMC多场耦合作用下岩石力学实验与数值模拟研究进展 49· 图3岩石裂隙多场耦合试验系统侧 Fig.3 Multifield couplingequipment system for rock fracture 律：控制围压和渗透压都保持不变，可以试验研究 图1三轴水力耦合试验机 溶液酸碱度对岩石力学性能的影响：利用裂隙岩 Fig.I Experimental machine couplinghy draulic and mechanicls 石渗透系数反算裂隙开度变化，得出岩石应力和 Axial compression 溶液酸碱度对岩石所受化学腐蚀的影响：通过试 验测定渗出水的浓度也可以推算出岩石裂隙溶质 Pressure head~[ 的运移规律) 为了通过岩石实验得到岩石各项指标参数， Rock specimen Confining pressure 比如三轴加载下的试件的力学参数、模拟地下岩 石所处高温环境的参数，同时获得试验中的裂纹 Outer cover 实时CT成像，相关学者通过改进电液伺服试验机 Base 研发出了一体式试验机.一体式试验机含有机械 Switch- 结构、液压控制系统和加热系统等，其中压力室具 有加压和加热功能，在试验过程中，试验机可以绕 Pore water pressure 着中心轴旋转，此时CT射线可以透过压力室对岩 图2三轴室示意图 石的内部裂纹进行实时扫描，得出岩石裂隙演化 Fig.2 Schematic diagram of triaxial chamber 过程图像.一体式试验机可以计算压力室在受 迫、自然对流和有无隔热4种条件下的传热边界 制系统（低压控制系统主要控制渗透压大小和渗 条件，利用ICEM CFD对计算域进行网格划分，然 透溶液)川，实验设备子系统关系如图4所示.该系 后利用Fluent对计算域内的温度场进行计算.通 统可提供最大载荷为600kN,最大围压为10MPa, 过建立试验机液压系统阀控非对称缸的线性数学 稳压精度在静态时达士0.5%，动态时达±2%，低压控 模型，得出高温和室温条件下的数学模型参数，然 制系统的渗透压最大可达1.6MPa 后利用Matlab Simulink进行仿真模拟试验机的 该系统可以完成裂隙多场耦合作用时岩石多 轴压最大可达100kN,围压可达20MPa,加热试验 种性能的试验测试，通过控制围压恒定，试验得出 中温度可达200℃（精度为±5℃）.一体式试验机 岩石裂隙渗透率随着渗透压的变化而变化的规 可以配合高能射线CT扫描技术对岩石进行三轴 Air supply Test bed for high pressure bottle permeability test Hydraulic Oil-water Pressure stability conversion pump control console Solution Test bed for preparation Computer control system seepage stress container coupling test 图4试验设备子系统关系 Fig.4 Relationship chart of test equipment subsystem
制系统（低压控制系统主要控制渗透压大小和渗 透溶液）[7] ，实验设备子系统关系如图 4 所示. 该系 统可提供最大载荷为 600 kN，最大围压为 10 MPa， 稳压精度在静态时达±0.5%，动态时达±2%，低压控 制系统的渗透压最大可达 1.6 MPa. 该系统可以完成裂隙多场耦合作用时岩石多 种性能的试验测试，通过控制围压恒定，试验得出 岩石裂隙渗透率随着渗透压的变化而变化的规 律；控制围压和渗透压都保持不变，可以试验研究 溶液酸碱度对岩石力学性能的影响；利用裂隙岩 石渗透系数反算裂隙开度变化，得出岩石应力和 溶液酸碱度对岩石所受化学腐蚀的影响；通过试 验测定渗出水的浓度也可以推算出岩石裂隙溶质 的运移规律[7] . 为了通过岩石实验得到岩石各项指标参数， 比如三轴加载下的试件的力学参数、模拟地下岩 石所处高温环境的参数，同时获得试验中的裂纹 实时 CT 成像，相关学者通过改进电液伺服试验机 研发出了一体式试验机. 一体式试验机含有机械 结构、液压控制系统和加热系统等，其中压力室具 有加压和加热功能，在试验过程中，试验机可以绕 着中心轴旋转，此时 CT 射线可以透过压力室对岩 石的内部裂纹进行实时扫描，得出岩石裂隙演化 过程图像. 一体式试验机可以计算压力室在受 迫、自然对流和有无隔热 4 种条件下的传热边界 条件，利用 ICEM CFD 对计算域进行网格划分，然 后利用 Fluent 对计算域内的温度场进行计算. 通 过建立试验机液压系统阀控非对称缸的线性数学 模型，得出高温和室温条件下的数学模型参数，然 后利用 Matlab Simulink 进行仿真模拟[8] . 试验机的 轴压最大可达 100 kN，围压可达 20 MPa，加热试验 中温度可达 200 ℃（精度为±5 ℃）. 一体式试验机 可以配合高能射线 CT 扫描技术对岩石进行三轴 图 1 三轴水力耦合试验机[5] Fig.1 Experimental machine couplinghy draulic and mechanic[5] Axial compression Pressure head Rock specimen Confining pressure Outer cover Base Switch Pore water pressure 图 2 三轴室示意图 Fig.2 Schematic diagram of triaxial chamber 图 3 岩石裂隙多场耦合试验系统[8] Fig.3 Multifield coupling equipment system for rock fracture[7] Air supply bottle Pressure pump Solution preparation container Hydraulic stability control Oil-water conversion console Test bed for high pressure permeability test Test bed for seepage stress coupling test Computer control system 图 4 试验设备子系统关系 Fig.4 Relationship chart of test equipment subsystem 颜丙乾等： THMC 多场耦合作用下岩石力学实验与数值模拟研究进展 · 49 ·
50 工程科学学报，第43卷，第1期 应力作用和加热联合试验，填补了国内岩石力学 的溶解速度随着盐岩裂隙深度的增加而变慢 试验系统中CT实时成像的技术空白 重庆大学煤矿灾害动力学与控制国家重点实验 12多场耦合实验设备的研发 室o1自主研发了如图6所示的岩石THMC多场耦 周辉等9设计了一套盐岩裂隙水流-化学溶蚀 合作用水流装置，该装置由三轴加载系统、二氧化 的耦合试验装置，如图5所示.上部分为加工好的 碳加压系统、恒温油浴控制系统和数据采集系统组 盐岩试块，将盐岩试块的裂隙面打磨光滑，考虑到 成，可以模拟不同地应力、不同层压、不同温度等多 两块盐岩试件贴在一起形成的人工节理很难达到 场耦合作用下岩石的渗透性能.通过多场耦合作用 试验规定的平整闭合度，因此设计了一块表面光 下不同相态的二氧化碳致裂来驱替甲烷，在二氧化 滑的有机玻璃试件代替下部分的盐岩试件.在进 碳压裂页岩的基础上，进行了有效应力、孔隙压力 水口位置通入一定饱和度的盐岩溶液，盐岩溶液 和温度等对页岩渗透特性影响的实验研究， 流经盐岩试件和有机玻璃试件之间形成的盐岩裂 河海大学等单位合作研制了超高压大流量渗 隙，测定和分析盐岩裂隙面的溶解形态.实验结果 透仪及水流-应力耦合试验系统，试验中的裂隙岩 表明，盐岩试件的溶解开始于裂隙的进口处，盐岩 体采用含有裂隙的石灰岩，渗透液为碳酸溶液和 Rock specimen Rock fractures Organic glass Water inlet Water outlet 图5盐岩裂隙溶解的试验装置图 Fig.5 Experimental setup for coupled fluid flow and dissolution test for salt rock fracture 3 C 4 10 11 22 1-CO2 cylinder;2-CHa gas,3-pressure sensor,4-servo pump;5-hydraulic oil circuit,6-triaxial pressure chamber. 7-axial deformation sensor;8-radial deformation sensor,9-constant temperature oil bath;10-flowmeter; 11-vacuum pump;12-computer;13-intake pipe;14-outlet pipe;15-data acquisition line 图6岩石THMC多场耦合作用下水流装置和原理图， Fig.6 Device and schematic diagram under THMC multi field coupling of rocks
应力作用和加热联合试验，填补了国内岩石力学 试验系统中 CT 实时成像的技术空白. 1.2 多场耦合实验设备的研发 周辉等[9] 设计了一套盐岩裂隙水流–化学溶蚀 的耦合试验装置，如图 5 所示. 上部分为加工好的 盐岩试块，将盐岩试块的裂隙面打磨光滑，考虑到 两块盐岩试件贴在一起形成的人工节理很难达到 试验规定的平整闭合度，因此设计了一块表面光 滑的有机玻璃试件代替下部分的盐岩试件. 在进 水口位置通入一定饱和度的盐岩溶液，盐岩溶液 流经盐岩试件和有机玻璃试件之间形成的盐岩裂 隙，测定和分析盐岩裂隙面的溶解形态. 实验结果 表明，盐岩试件的溶解开始于裂隙的进口处，盐岩 的溶解速度随着盐岩裂隙深度的增加而变慢. 重庆大学煤矿灾害动力学与控制国家重点实验 室[10] 自主研发了如图 6 所示的岩石 THMC 多场耦 合作用水流装置，该装置由三轴加载系统、二氧化 碳加压系统、恒温油浴控制系统和数据采集系统组 成，可以模拟不同地应力、不同层压、不同温度等多 场耦合作用下岩石的渗透性能. 通过多场耦合作用 下不同相态的二氧化碳致裂来驱替甲烷，在二氧化 碳压裂页岩的基础上，进行了有效应力、孔隙压力 和温度等对页岩渗透特性影响的实验研究. 河海大学等单位合作研制了超高压大流量渗 透仪及水流−应力耦合试验系统，试验中的裂隙岩 体采用含有裂隙的石灰岩，渗透液为碳酸溶液和 Rock specimen Rock fractures Organic glass Water inlet Water outlet 图 5 盐岩裂隙溶解的试验装置图 Fig.5 Experimental setup for coupled fluid flow and dissolution test for salt rock fracture 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 1 ―CO2 cylinder; 2 ―CH4 gas; 3 ―pressure sensor; 4 ―servo pump; 5 ―hydraulic oil circuit; 6 ―triaxial pressure chamber; 7 ―axial deformation sensor; 8 ―radial deformation sensor; 9 ―constant temperature oil bath; 10 ―flowmeter; 11 ―vacuum pump; 12 ―computer; 13 ―intake pipe; 14 ―outlet pipe; 15 ―data acquisition line 图 6 岩石 THMC 多场耦合作用下水流装置和原理图[10] Fig.6 Device and schematic diagram under THMC multi field coupling of rocks[10] · 50 · 工程科学学报，第 43 卷，第 1 期